Lammebølgedrevne motorer i nanoskala i ikke-flydende miljøer

Let drevet bevægelse er udfordrende i ikke-flydende miljøer, da objekter i mikrostørrelse kan opleve stærk tør vedhæftning til kontaktflader og modstå bevægelse. I en nylig undersøgelse, Jinsheng Lu og kolleger på College of Optical Science and Engineering, Institut for Elektro- og Computerteknik, School of Engineering og Institute of Advanced Technology i Kina og Singapore, udviklede et vakuumsystem og opnåede roterende bevægelser, hvor en mikrometer-størrelse, metal hexagonal plade ca. 30 nm i tykkelse drejet om en mikrofiber. De drev motoren (plade-fiber) ved hjælp af et pulserende lys, som blev styret på fiberen af ​​en optisk ophidset lammebølge. Proceduren muliggjorde en pladefibergeometrisk motor, der var gunstig til optomekaniske anvendelser i praksis; resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort den Videnskabens fremskridt .

Lys kan inducere mekanisk rotation eksternt, øjeblikkeligt og præcist. Lysinduceret mikro/nanoskala rotation kan generere omfattende applikationer inden for mekanisk aktivering, at manipulere biomolekyler og levere last. I flydende miljøer, videnskabsmænd har demonstreret lysdrevet rotation ved at overføre lineært og vinkelmomentum til objekter i mikrostørrelse. I ikke-flydende miljøer, dominerende adhæsionskræfter forhindrer bevægelse af objekter i mikrostørrelse. Da adhæsion alvorligt kan hæmme driften af ​​roterende motorer, der aktiveres af momentumoverførsel, væske bruges typisk til at minimere uønskede påvirkninger.

I nærværende arbejde, Lu et al. afveg fra denne langvarige opfattelse for at rapportere om en lysaktiveret motor, hvor vedhæftningskræfterne i luften modstridigt tillod rotation. Processen blev assisteret af Lamb-bølgen (en termoelastisk ekspansion genereret ved plasmonisk opvarmning af det absorberede pulslys) og pladefiberens geometriske konfiguration.

I arbejdet, Lu et al. demonstrerede et lysaktiveret mikrospejl med en scanningsopløsning på 0,001 grader. De styrede rotationshastigheden og stopopløsningen af ​​motoren (guldplade på en mikrofiber) ved at variere gentagelseshastigheden og pulsbølgen i opsætningen. Forskerne viste motorcrawlet trinvist, med sub nanometer bevægelsesopløsning i eksperimentet. Arbejdet tilbyder et hidtil uset anvendelsespotentiale til at integrere i mikro-opto-elektromekaniske systemer, det ydre rum optiske præcisionsmekanik og kontroller, og som laserscanning til miniature lidar-systemer (lysbaserede navigations-/kortlægningssystemer).

For at konstruere mikrofibrene, Lu et al. brugte en flammeopvarmet tegneteknik og syntetiserede guldpladen indeholdende en enkelt krystal med en atomart glat overflade, i form af sekskanter eller trekanter som tidligere rapporteret. De suspenderede derefter eksperimentelt den ensartet fintrukne optiske mikrofiber i luft, eller støvsug og anbring guldpladen på den ved hjælp af en sonde. De brugte scanningselektronmikroskopi (SEM) til at se plade-mikrofiber-systemet. Under øjeblikkelige tænd/sluk-bevægelser af en kontinuerlig bølgelaser (CW), forskerne observerede en subtil svag azimutbevægelse af guldpladen. Bevægelsen skyldtes udvidelsen/sammentrækningen af ​​guldpladen, den utilsigtede effekt udløste den pulserende levering af et superkontinuum lys ind i mikrofiberen.

Ved at bruge denne proces, videnskabsmændene viste, hvordan guldpladen kredsede om mikrofiberen, da lyspulserne blev guidet ind i opsætningen, hvor Van der Waals styrker var ansvarlige for pladens tætte vedhæftning til mikrofiberen. I øvrigt, da adskillelsen mellem guldpladen og mikrofiberen var så lille, Van der Waals-styrkerne blev dominerende. Da forskerne udførte det samme eksperiment i væske, adhæsionskræfterne blev mindre, i dette tilfælde bevægede guldpladen sig væk fra mikrofiberen og holdt op med at rotere, viser nødvendigheden af ​​adhæsionskræfter for bevægelse i denne opsætning.

Motoren arbejdede også i vakuum, hvor gastrykket var omkring ni størrelsesordener lavere end i luft. Rotationshastigheden var lineært proportional med gentagelseshastigheden af ​​lysimpulser og steg lineært, for at vise, at en enkelt lyspuls kunne aktivere motoren til at rotere i en ekstremt fin vinkel. Lu et al. brugt en bølgeformsgenerator til at producere et signal, der kunne udløse lyskilden til at udsende et bestemt antal impulser og beregnede vinklen mellem mikrofiberen og pladen ved hjælp af projektionsmetoden. Hver lysimpuls aktiverede motoren til at rotere i en konstant vinkel. Forskerne bekræftede dette resultat med yderligere forsøg.

Forskerne udelukkede optiske kræfter som drivkraften under rotation, da brugen af ​​CW-laserkilder med forskellige bølgelængder ikke forårsagede nogen rotation; kun en pulserende lyskilde med en enkelt bølgelængde (1064 nm) kunne drive motoren til at rotere. Angiver, at pulser spillede en væsentlig rolle for at generere bevægelse. Tidligere undersøgelser havde på samme måde vist, at pulseret lys kunne excitere kohærente fononer for at inducere gitterudvidelse og sammentrækning, at udbrede lysinducerede akustiske bølger til mange praktiske anvendelser inden for optofluidik og biobilleddannelse.

De foreliggende resultater blev specifikt observeret, da Lu et al. genererede en pulserende lysinduceret lammebølge på den tynde guldplade placeret på overfladen af ​​mikrofiber, at flytte pladen hen over mikrofiberoverfladen. De belyste fænomenet ved at forklare, at først, når en pulserende laser er fokuseret på en linje på overfladen af ​​en lysabsorberende film, akustiske overfladebølger kendt som Rayleigh-bølger kan genereres. Det pulserende lys absorberes derefter af filmen for lokalt at opvarme overfladen, forårsager termo-elastisk ekspansion til at generere akustiske overfladebølger, der kan rense klæbende partikler på overfladen. Rayleigh-bølgen og Lamb-bølgen har lignende bevægelsesmønstre, derfor, for eksempel, når tykkelsen af ​​en film/plade er mindre end bølgelængden af ​​en Rayleigh-bølge, Rayleigh -bølgen vil gradvist overgå til en lammebølge.

For yderligere indsigt i mekanismen, forskerne udførte finite element koblede termiske og elastiske simuleringer. Resultaterne bekræftede de eksperimentelle resultater og indikerede, at udbredelsesretningen for Lammebølgen genereret i plade-mikrofiber-systemet var uafhængig af retningen for lysudbredelse inden i mikrofiberen.

Lu et al. foreslå at bruge den således udviklede nanoskalamotor inden for en række områder, herunder mikro-opto-elektromekaniske systemer i det ydre rum, under energiomdannelse og i vakuummekanik med høj præcision. Den roterende plade kan også bruges som et scannende mikrospejl til at afbøje en laserstråle som vist i undersøgelsen, til laserscanning i miniature lidar-systemer for at kortlægge verden i 3D eller som laserdisplaysystemer og optisk modulering/switching til integrerede mikrosystemer. Den nye opdagelse af lys-aktiveret bevægelse kan åbne en ny æra af optisk kørsel og manipulation ved sub-nanometer opløsning af bevægelse for kontrolleret bevægelse. Arbejdet vil give fysikere og materialeforskere mulighed for at udforske det nye landskab af optisk nanomanipulation i miljøer, der kræver et nyt paradigme, ud over den eksisterende væskebaserede funktion.

© 2019 Science X Network